Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование рабочих процессов автомобильных двигателей. Тепловой расчет двигателя. Учебное пособие
.pdf
4. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ
4.1. Общие сведения
Процесс сжатия в цилиндре дизеля происходит при отсутствии топлива. Впрыск топлива в камеру сгорания начинается перед приходом поршня в ВМТ, т. е. незадолго до того момента, когда
должен начаться процесс сгорания. Горючая смесь образуется не
посредственно в цилиндре. Применяемое в дизелях топливо (дизельное топливо) в случае получения однородной смеси также обладает верхним и нижним пределами воспламеняемости.
При впрыске в цилиндр в конце процесса сжатия не удается
создать однородную топливовоздушную смесь. Исследования показали, что впрыскиваемая струя топлива в течение короткого промежутка времени распадается на мелкие капли, которые неравномерно распределяются по объему камеры сгорания. В отдельных
местах образуются зоны, где смесь испарившегося топлива с воздухом находится в пределах воспламеняемости. В этих зонах камеры сгорания и происходит воспламенение испарившегося топлива.
Неравномерное распределение смеси по объему камеры сгорания позволяет применять в дизелях качественное регулирование
состава смеси. При качественном регулировании в случае уменьшения нагрузки дизеля количество поступающего в цилиндр воздуха не регулируется, а уменьшается только количество впрыскиваемого топлива, в результате чего среднее значение коэффициента
избытка воздуха увеличивается, и при холостом ходе α = 5÷6.
Температура воздуха в момент начала впрыска достигает
700–900 К, что примерно на 150–250 К выше температуры воспламенения дизельного топлива. Такая высокая температура обеспечивает воспламенение топлива в указанных зонах и последующее распространение процесса горения по всему объему камеры сгорания.
Схему развития процесса сгорания в дизеле можно пояснить
по рис. 2. Впрыск топлива начинается при положении поршня,
-
41
4. Процесс сгорания в дизелях
соответствующем углу φ
до ВМТ (точка 2). Этот угол называется
впр
углом опережения впрыска. В первый период после начала впрыска воспламенение топлива не происходит, и давление в цилиндре
продолжает возрастать из-за дальнейшего сжатия воздуха. Это объясняется тем, что с момента подачи топлива до его воспламенения проходит некоторое время, в течение которого капли топлива
частично испаряются и оно подготавливается к воспламенению.
Интервал, за который происходит подготовка топлива к воспламенению, соответствующий углу поворота коленчатого вала (от точки 2 до точки 1), называется периодом задержки воспламенения.
С момента в точке 1 происходят интенсивное развитие процесса сгорания и резкое возрастание давления, которое за небольшой
интервал времени, называемый фазой быстрого сгорания (участок 1 – z′), достигает наивысшего значения pz.
В этой фазе сгорания скорость нарастания давления (жесткость) зависит от типа камеры сгорания и находится в пределах
4–10 бар/град.
К моменту достижения наибольшего давления сгорает только часть поступившего топлива. Процесс сгорания в дизеле продолжается и после достижения наибольшего давления и протекает
при значительном выделении теплоты на участке z′–z (фаза замедленного сгорания). На данном участке наблюдается некоторое снижение давления при движении поршня к НМТ и увеличение температуры из-за продолжающегося сгорания топлива.
Максимальная температура цикла соответствует точке z. К этому моменту основное количество топлива уже сгорает. В дальнейшем при расширении от точки z в третьей фазе происходит догорание топлива. Конец его установить затруднительно. Можно
отметить, что длительность фазы догорания в дизеле больше, чем
в двигателе с искровым зажиганием.
Для наиболее эффективного протекания процесса сгорания необходимо, чтобы длительность его была по возможности меньшей,
а давление повышалось плавно. Очень резкое повышение давления приводит к жесткой и шумной работе дизеля.
42
4.2. Факторы, влияющие на продолжительность и качество процесса…
4.2. Факторы, влияющие на продолжительность
и качество процесса сгорания в дизеле
Опыты показали, что продолжительность периода задержки
воспламенения влияет на характер протекания всего процесса сгорания. При длительном периоде задержки воспламенения в камере сгорания испаряется большое количество впрыснутого топлива,
и в дальнейшем, вследствие вовлечения этого топлива в процесс
сгорания, резко нарастает давление и увеличивается жесткость рабочего процесса дизеля. Поэтому нужно стремиться уменьшить пе
риод задержки воспламенения до известного предела.
В зависимости от условий протекания процесса сгорания
продолжительность периода задержки воспламенения составляет 0,0005–0,002 с. На ее продолжительность и характер процесса
сгорания влияют физические и химические свойства топлива, температура и давление воздуха в период впрыска топлива, характер
и интенсивность вихревого движения воздуха в камере сгорания,
характеристика работы топливоподающей аппаратуры, конструк
ция камеры сгорания, угол опережения впрыска топлива, нагрузка и число оборотов коленчатого вала дизеля.
-
-
Физические и химические свойства топлива
На продолжительность периода задержки воспламенения наибольшее влияние оказывает химический состав топлива. Наличие
в топливе парафиновых углеводородов уменьшает период задержки воспламенения и создает условия для более плавного протека
ния процесса сгорания. Из физических свойств топлива на процесс
сгорания влияют вязкость, поверхностное натяжение и испаряемость. Период задержки воспламенения можно уменьшить, понизив температуру самовоспламенения топлива, зависящую от
его цетанового числа.
43
-
4. Процесс сгорания в дизелях
Давление и температура сжатого воздуха
Повышение давления и особенно температуры воздуха в момент впрыска топлива сокращает продолжительность периода задержки воспламенения.
Вихревое движение воздуха в камере сгорания
Характер и интенсивность вихревого движения воздуха в ка
мере сгорания оказывают значительное влияние на процесс сгорания. Объясняется это тем, что смесеобразование в дизеле происходит почти одновременно со сгоранием. Поэтому для эффективного
сгорания топлива необходимо создание такого вихревого движения воздуха, при котором возможно хорошее смесеобразование во
всем объеме камеры сгорания. Вихревое движение способствует
переносу паров топлива в зону, богатую кислородом, и уносу продуктов сгорания из зон, где происходят реакции.
Образование вихревого движения в дизелях во время процессов впуска и сжатия достигается применением различного типа камер сгорания и специальных устройств.
Топливоподающая аппаратура
От конструкции топливоподающей аппаратуры зависит дальнобойность факела, качество распыливания топлива и равномерность распределения капель по всему объему камеры сгорания. На
протекание процесса сгорания в известной мере влияют продолжительность впрыска топлива, давление впрыска и диаметр сопел
распылителя дизельной форсунки. Требования к топливоподающей аппаратуре зависят от типа камеры сгорания.
-
44
4.2. Факторы, влияющие на продолжительность и качество процесса…
Угол опережения впрыска топлива
При слишком большом угле опережения начало впрыска топлива в камеру сгорания происходит при сравнительно небольшом
давлении и низкой температуре, что приводит к увеличению периода задержки воспламенения. К началу фазы быстрого сгорания в цилиндре скапливается большое количество испарившегося
топ лива, которое воспламеняется, что вызывает чрезмерно жесткое протекание процесса сгорания. При этих условиях не удается
получить высокую эффективность процесса.
При малом угле опережения впрыска процесс сгорания происходит во время процесса расширения, и большая часть топлива сгорает в фазе догорания, которая в связи с этим удлиняется.
В этом случае показатели работы дизеля резко ухудшаются, поршень, головка цилиндров и цилиндры перегреваются, а температура отработавших газов повышается.
Оптимальный угол опережения впрыска выбирается экспериментально. Он зависит от типа камеры сгорания, степени сжатия, сорта топлива, работы топливоподающей аппаратуры и числа оборотов двигателя.
Изменение нагрузки двигателя
и состава рабочей смеси
В дизеле из-за неравномерного распределения рабочей смеси по объему камеры сгорания процесс сгорания может происходить при высоких средних значениях коэффициента избытка
воздуха. По этой же причине не представляется возможным получить полное сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице. Признаками ухудшения процесса сгорания при уменьшении коэффициента избытка воздуха являются
наличие дыма в отработавших газах, резкое ухудшение экономичности и перегрев дизеля.
45
4. Процесс сгорания в дизелях
Наименьшие значения коэффициента избытка воздуха и, соответственно, наибольшая мощность, которую двигатель может развивать, зависят от ряда факторов. В автомобильных четырехтактных дизелях в настоящее время применяются значения α = 1,2÷1,4.
При снижении нагрузки, поскольку в дизеле регулируется только количество подаваемого топлива, коэффициент избытка воздуха
увеличивается. При неизменном угле опережения начала впрыска
процесс сгорания заканчивается ближе к ВМТ, что улучшает использование теплоты и повышает индикаторный КПД двигателя.
В некоторых случаях уменьшают угол опережения впрыска
топлива, чтобы при снижении нагрузки впрыск происходил в среду с более высокой температурой.
Изменение числа оборотов
Из анализа факторов, влияющих на процесс сгорания, следует, что длительность первой и второй фаз сгорания по углу поворота коленчатого вала должна по возможности оставаться неизменной, независимо от числа оборотов вала. Это означает, что время,
отводимое на обе фазы, при увеличении числа оборотов необходимо по мере возможности сокращать.
При увеличении числа оборотов условия протекания процессов смесеобразования и сгорания изменяются. Этому способствуют
усиление вихревого движения воздуха и изменение условий работы топливоподающей аппаратуры. При повышении числа оборотов меняются также температура и давление конца сжатия вследствие уменьшения давления впуска ра и изменяющихся условий
теплообмена в процессе сжатия.
В результате изменения условий общее время процесса сгорания сокращается. Однако это сокращение, особенно в периоде
задержки воспламенения, не компенсирует полностью требуемое
уменьшение времени, необходимого для всего процесса сгорания, и поэтому наблюдается некоторое увеличение угла поворота коленчатого вала, в течение которого этот процесс происходит.
46
4.2. Факторы, влияющие на продолжительность и качество процесса…
Чтобы процесс сгорания проходил ближе к ВМТ и теплоиспользование было выше, целесообразно по мере увеличения
числа оборотов увеличивать угол опережения начала впрыска.
47
5. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ
В отличие от теоретического цикла, где протекание процесса
расширения предполагается без теплообмена с внешней средой,
в действительности продукты сгорания, расширяющиеся при высокой температуре, отдают часть теплоты окружающей среде через головку, стенки цилиндров и днище поршня. В результате про
дукты сгорания охлаждаются.
Так как процесс сгорания не заканчивается в точке z, то в про-
цессе расширения продолжается выделение теплоты. Таким образом, процесс расширения протекает при одновременном подводе
и отводе теплоты. Соотношение между количествами подведенной и отведенной теплоты непрерывно меняется.
Для определения давления и температуры конца процесса расширения принимают, что он протекает по политропе со средним
показателем n2. Тогда, считая, что процесс расширения начинается в точке z, можно определить температуру и давление в конце
по уравнению политропы:
-
Отношение называется степенью последующего рас-
ширения.
Используя это обозначение, для дизеля получим
для двигателей с искровым зажиганием:
48
(13)
тогда
5. Процесс расширения
(14)
Температура в конце процесса расширения для дизеля:
(15)
для двигателей с искровым зажиганием:
(16)
При расчете средний показатель политропы выбирают на ос
новании опытных данных. Для двигателей с искровым зажиганием n2 = 1,23÷1,30; а для дизелей n2 = 1,18÷1,28.
-
49
6. ПРОЦЕСС ВЫПУСКА
ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
В четырехтактных двигателях выпускные клапаны открываются в такой момент (рис. 1 и 2, точка b′), чтобы обеспечить в пер-
вый период очистки (от точки b′до НМТ) вытекание отработавших
газов со сравнительно большой критической скоростью, равной
600–700 м/с. В последующий период отработавшие газы вытесняются поршнем, движущимся к ВМТ. Во всех случаях момент открытия выпускных органов подбирают экспериментально.
Отработавшие газы вытекают из цилиндра двигателя с высокой скоростью, что создает резкий шум. Для его уменьшения на
выпускной трубе устанавливают глушитель. Проходя через него,
отработавшие газы расширяются, вследствие этого их скорость
снижается и они выбрасываются в окружающую среду без шума.
При установке глушителя несколько увеличивается сопротивление выпускной системы, и давление в цилиндре в период выпуска повышается. В этих условиях количество остаточных газов
в цилиндре возрастает, а коэффициент наполнения уменьшается.
Поэтому конструкция глушителя должна быть такой, чтобы при
удовлетворительном глушении шума не росло сопротивление выпускной системы. Меньшим сопротивлением обладает глушитель
акустического типа.
В момент открытия выпускных органов отработавшие газы имеют сравнительно высокие температуру и давление. Следовательно,
с ними теряется большое количество теплоты. Часть кинетической энергии отработавших газов можно использовать при над
дуве двигателя.
Установка газовой турбины приводит к некоторому увеличению сопротивления выпускной системы, которое компенсируется эффектом, получаемым от применения наддува.
Основные параметры процесса выпуска отработавших газов
были приведены при рассмотрении процесса впуска.
-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]